DE2148013C3 - Mischdampf-Kraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischdampf-Kraftanlage mit einem Dampferzeuger für Dampftemperaturen von 204 bis 399°C, einer Kraftmaschine, einem Kondensator und einer Speiseflüssigkeitspumpe, wobei der Mischdampfaus eine^i Wasser-Alkohol-Gemisch besieht.

Eine derartige Mischc-ampf-K-aftanlage ist aus der »VDI-Zeitschrift«, Bd. 75 vom 19.9. 1931, S. 1197 bis 1201 bekannt. In dieser Zeitschrift wird als Beispiel für einen Mischdampf auseincm Wasscr-Alkohol-Gcmisch ein Äthylalkohol-Wasser-Gcmisch auf S. 1197, linke Spalte, 3. Absatz, genannt. Ein solches Äthylalkohol-Wasser-Gemisch hat jedoch verschiedene Nachteile. Beispielsweise hat Äthylalkohol einen niedrigen Entflammungspunkt von 12,78 C (offener Becher). Äthylalkohol unterhalt seine eigene Verbrennung und hat eine Verbrennungswärme von etwa 7 Kcai/g. Auch ist der spezifische Wärmewert von Äthylalkohol von fast O.b für viele Maschinen nicht günstig. Ähnliches trifft für das niedere Molekulargewicht des Äthylalkohols /u. Schließlich ist die thermische Stabilität von Äthanol bei z. B. 380°C sehr gering. Das bedeutet, daß ein Misch-Dampf aus Wasser und Äthylalkohol wegen seiner Zersetzung bei längcrem Erhitzen, seiner Entflammbarkeit und dem begrenzten Wirkungsgrad für eine sicher arbeitende Mischdampf-Kraftanlage nicht geeignet ist.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Mischdampf-Kraftanlage zur Verfügung /u stellen, bei der der Mischdampf aus einem Wasser-Alkohol besteht, das thermisch stabil, nicht entflammbar und sicher zu handhaben ist und einen günstigen Wirkungsgrad aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe ist in Anspruch I vorgeschlagen, daß der Mischdampf ans I bis 40 Gew.-"/ο Wasser iinclTrifluoriithanol besteht.

Der Mischdampf aus I bis 40 Gew.-% Wasser und Trifluoräthanol ist ein sicheres Arbeitsmedium für Dampfkolbenmaschine!!. /. B. die Kankine-Dampfkol benmaschinc für Fahrzeuge. Heinle. S-jhiffe "der andere Kraflcrzciigungsanliigeu. die von einer »irksamen, billigen, sicheren Antriebsmaschine mil geringer !!mission angetrieben werden, die mit den verschiedensten leicht verfügbaren Brennstoffen wie Heizöl, Dieselöl, Leuchtpetroleum, Benzin, Erdgas, Propan, Buten, Alkohol, ö| u.dgl. oder mit festen Brennstoffen unter weitgehender Ausschaltung der Luftverunreinigung betrieben werden können.

Der Mischdampf in der Mischdampf-Kraftanlage gemäß vorliegender Erfindung enthält vorzugsweise 3 bis 25 Gew.-°/o Wasser.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Dampferzeugerdruck der erfindungsgemäßen Mischdampf-Kraftanlage 21 bis 105 Bar.

Trifluoräthanol zeichnet sich durch seine thermische Beständigkeit in wäßrigen Lösungen aus, so daß es lange Zeit ohne Ersatz oder Ergänzung in einem geschlossenen Kreislauf verwendet werden kann. Trifluoräthanol ist in Gegenwart von Wasser nicht nur thermisch stabil, sondern auch sicher. Der Entflammungspunkt von Trifluoräthanol beträgt 38°C (offener -•π Becher). Bei der Bestimmung gemäß ASTM D-92-52 hat es keinen Brenn- oder Flammpunkt, d. h„ es unterhält seine eigene Verbrennung nicht. Die Verbrennungswärme beträgt 2 Kcal/g.

Schon daraus ist ersichtlich, daß Trifluoräthanol dem _'i Äthylalkohol überlegen ist. Darüber hinaus ist für bekannte Mischdampf-Kraftanlagen, z. B. einer Rankine-Dampfkolbenmaschine, es von Vorteil, wenn die spezifische Wärme des Arbeitsmediums besonders gering ist. Trifluoräthanol hat eine spezifische Wärme von 0.37, während die spezifische Wärme von Äthylalkohol fast 0,6 beträgt. Für Turbinen ist beispielsweise sehr erwünscht, wenn das Arbeitsmedium ein Molekulargewicht von 60 bis 300 aufweist. Dieses wird durch Trifluoräthanol mit einem Molekulargewicht von 100 erfüllt, während das Molekulargewicht des Äthylalkohols nur 46 beträgt.

In Laboraioriumsversuchcn wurde festgestellt, daß Trifluoräthanol bei etwa 380°C über 24 Stunden unverändert blieb, während Äthanol sofort Zeichen der Zersetzung zeigt.

Schließlich entspricht Trifluoräthanol auch den Normen der Manufacturing Cchmists Association in Bezug auf Ungiftigkeit bei Einatmung oder bei Berührung mit der Haut.

Wie das Diagramm zeigt, gibt es zwei örtliche Minima in den Gefrierpunktskurven von Trifluoräthanol-Wasser-Gemischen. Durch Zusatz von Trifluoräthanol in beliebigen Mengen zu Wasser wird somit dessen Gefrierpunkt erniedrigt. Der Teil der Kurve über 60% Trifluoräthanol zeigt, daß nach dem Erreichen des Gefrierpunkts etwas mit Wasser angereichertes Trifluoräthanol gefriert, so daß die restliche Flüssigkeit mit Trifluoräthanol angereichert wird, so daß die Flüssigkeitszusammcnsetzung die Kurve hinab nach rechts verläuft. Zwar befindet sich ein gewisser Anteil an gefrorenen Feststoffen in der Flüssigkeit, jedoch ist diese eine schlammige Masse und gefriert erst zu einem Feststoff, wenn die Temperatur unter das Eutcktikiiin bei -63°C fällt. Demzufolge hat wäßriges Trifluoräthanol. das etwa 60 bis 97 Gew.-% Trifluoräthanol enthält. Mets eine endgültige Entarrungsiemperattir von -b\ V, sodaK es selbsl im arktischen Klima verwendet werden kann. ti. Iv. die Systeme gefrieren erst zu Feststoffen wahrend der Zeiten, in denen sie bei I lnigeliungstcmperatiiren nicht gebraucht werden.

Die nachstehende Tabelle I zeigt die berechneten kritischen Temperaturen und Drücke für Trifhioräiha-IKiI und verschiedene Gemische mit Wasser.

Tilbelie |

rrillnnniihiiniil KriihdK Tempo- Kritische Drückt
rauiren

Cievv.-".. > Kb'¹-'")"

97	241	63,4
9(1	267	84,4
85	279	102,6
60	316	152

Während die physikalischen Eigenschaften von Stahl oberhalb von 316°C schlechter zu werden beginnen und sich oberhalb von 399 "C sehr stark verschlechtern, zeigen die vorstehenden Werte, daß Trifluoräthanol-Gemische mit Wasser aus dem flüssigen Zustand in den dampfförmigen Zustand umgewandelt werden können, ohne diese Temperaturen zu überschreiten. Drücke von 21 bis 105 kg/cm-¹, bei denen ohne weiteres ohne besondere Maßnahmen gearbeitet «»erden kann, sind ebenfalls sehr gut geeignet, um das Arbeitsmedium im ständigen Wechsel zwischen dem Flüssigzustand und dem Dampfzustand hin- und herzuführen. Wäßriges Trifluoräthanoi wirkt auch bei erhöhten Temperaturen nicht korrodierend auf die meisten Metalle einschließlich Eisen, Stahl, Kupfer und Aluminium. Prüfungen bei erhöhten Temperaturen ergeben nur einen minimalen Angriff auf Fluorelastomere und Polychloropren, die übliche Dichtungsmaterialien sind, erkennbar an einer Änderung der Dicke.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.

Beispiel I

Ein aus 97 Gew.-% Trifluoräthanoi und 3 Gew.-% Wasser bestehendes Gemisch tritt bei 74"C in einen Kessel ein und verläßt ihn als Dampf bei 225,e°C und 49 kg/cm³. Der Dampf wird bei diesem Druck auf 2433°C überhitzt und dann durch die Schaufeln einer Turbine expandiert, deren Welle hierdurch die Drehung versetzt wird und Arbeit leistet. Der expandierte Dampf kühlt sich ab und kondensiert und kehrt wieder zu einer Temperatur von 74"C und einem Druck von 1,05 kg/cmzurück. An diesem Punkt wird die Flüssigkeit in den

Tabelle 2 Versuch

2
3
4
5
6
7
X

9
IO
Il

I Ik-mi I !!hm Kessel zurückgepumpt. Der Wirkungsgrad des Zyklus beträgt etwa 25%.

Im wesentlichen die gleichen Ergebnisse werden erhalten, wenn die Gasdehnung gegen einen hin- und ■ hergehenden Kolben staltfindet, der gleitend zwischen zwei Stellungen befestigt ist, wobei der Kolben durch die Dampfdehnung in seine zweite Stellung bewegt wird und hierbei eine Kurbelwelle dreht, die ihrerseits eine Kraftmaschine antreibt. In der gleichen Weise kann die

i" Dampfdehnung auch ausgenutzt werden, um eine Schnecke zu drehen.

Die Antriebsmaschine kann für Automobile. Boote und außer für die Erzeugung von Bewegungskraft auch für andere Zwecke, z. B. in Stromerzeugern und

ι "ι kraftbetriebenen Maschinen, d. h. überall dort verwendet werden, wo solche anderen Systeme oder Innenverbrennungsmaschinen bisher verwendet worden sind. Die Treibkraft kann, falls vorhanden, eine beliebige Welle, insbesondere die Antriebswelle von

-'<> Fahrzeuge-i'.z. B. Automobilen, antreiben.

Beispiel 2
Thermische Stabilität

In e:'-:er Reihe von Versuchen wurden Bomben aus nichtrostendem Stahl mit Gemischen von Trifluoräthanoi und Wasser gefü'lt. Jede Bombe wurde evakuiert und verschlossen, worauf die Temperatur auf den

in nachstehend genannten Wert erhöiit wurde. Der Anfangsdruck wurde für die mittlere erhöhte Temperatur des Versuchs unter Verwendung des Gesetzes des idealen Gases berechnet. In verschiedenen Zeitabständen wurden die Bomben auf Raumtemperatur gekühlt,

π wobei der Druck irn Gasraum mit einem Grobmanometer gemessen wurde, das oberhalb von 4.2 atü keine Zahlenwerte anzeigen konnte. In Fällen, in denen der Druck im Gasraum nach kurzen Behandlungen verhältnismäßig niedrig war, wurden die Bomben erneut erhitzt und die Versuche fortgesetzt. Die Messungen wurden nach dem in der Tabelle 2 angegebenen Zeiten voi genommen. Der Druck nach der Abkühlung wurde als Anhaltspunkt für das Ausmaß der Zersetzung gewertet. Die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle 2

4". genannt.

Uli-CichaH in	Temp. <
(icv.-% der
HTMUM-ösung
X4,6	3I4±3
X4,6	344±3
X4,6	350-36«;
97	302-327
94	302-327
90	330-350
90	330-350
SX	302 327
75	32')-345
W)	330 -349
OU	130-349

Anfiingsciruck, /eil, SId. berechnet bei mittlerer Temp., atü	452,5	Druck nach Abkühlung, aiii	sind.
422	119	0,035
443	109	0
478	481	G
98,4	481	0
105	419	0
380	419	0
43,2	4X1	0
126.6	241.5	I)
534	115.5	0.14
401	115.5	0
43.2	thermisch stiihi!	0
IiIiIi)I und Wasser

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mischdampf-Kraftanlage mit einem Dampferzeuger für Dampftemperaturen von 204 bis 399° C, einer Kraftmaschine, einem Kondensator und einer Speiseflüssigkeitspumpe, wobei Mischdampf aus einem Wasser-Alkohol-Gemisch besteht, d a durch gekennzeichnet, daß der Mischdampfaus 1 bis40Gew.-% Wasser und Trifluoräthanol besteht.

2. Mischdampf-Kraftanlage nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischdampf 3 bis 25 Gew.-°/o Wasser enthält.

3. Mischdampf-Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeugerdruck21 bis 105 Bar ist.